《Talanta》：Recent Advances in Fluorescent and Colorimetric Detection of Creatinine in Physiological Samples: The Mechanistic Approach
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本文系統綜述了基于熒光傳感器的肌酐檢測技術進展，重點分析化學配體、氫鍵作用、絡合物形成及金屬離子介導四大檢測機制，探討有機染料、納米材料等新型熒光探頭的優勢，并指出傳統方法存在靈敏度低、選擇差等問題，強調熒光傳感在便攜式檢測和臨床診斷中的潛力。
Sweety Kataria | Gagandeep Kaur | Mandeep Kaur | Divya Sareen
印度哈里亞納邦古魯格拉姆SGT大學基礎與應用科學學院化學系，郵編122505
摘要
由于腎臟功能障礙在全球范圍內普遍存在，因此對其的有效和及時篩查至關重要。疾病早期癥狀的不明顯使得情況更加嚴峻。因此，迫切需要開發出高度準確、靈敏和特異性的檢測探針，以識別腎臟疾病的生物標志物，從而實現早期診斷。目前已知有多種用于檢測腎臟疾病的生物標志物，其中肌酐可能是使用最廣泛的。血液和尿液等體液中肌酐的含量可以直接反映腎臟疾病的進展。因此，它可以用于侵入性和非侵入性檢測任何階段的腎衰竭。從傳統的Jaffe方法來看，肌酐的檢測在技術和試劑使用方面都取得了長足的進步。熒光技術因其簡單性、準確性、快速性、成本效益和靈敏度等優點而成為一種有前景的工具。目前正利用多種熒光物質，如有機染料、納米顆粒、納米片層、量子點和MXenes等。本綜述通過分析不同的機制方法（包括化學量計法、氫鍵結合、復合物形成和金屬離子介導的方法）來總結肌酐檢測領域的最新進展。
引言
慢性腎臟疾病（CKDs）在全球范圍內非常普遍，導致嚴重的發病率和死亡率，并給醫療系統帶來巨大的經濟負擔[1]，[2]。據估計，全球約有12-15%的人口受到影響[3]。預計到2030年和2040年，它將分別成為全球第13大和第5大死亡原因[4]。盡管有先進的診斷技術，但其預后仍然較差，主要原因是患者在CKD發病初期或早期沒有明顯的癥狀，通常直到晚期才被診斷出來[5]。因此，及時診斷CKDs對于顯著控制其發生、進展和死亡率至關重要。傳統上，CKDs通常通過血液檢測、尿液分析、腎臟成像等臨床檢查來診斷[6]。腎臟負責清除生理廢物，尤其是含氮廢物，從而維持體內平衡。因此，任何腎臟功能障礙都會導致廢物（尤其是肌酐和尿素）在體液中的積累。這些分子傳統上被認為是腎臟功能障礙的重要代謝生物標志物，與蛋白尿一起提供了關于腎臟疾病進展的早期信息[7]，[8]。一個好的CKD生物標志物應該容易在血液和尿液等常見體液中檢測到，健康狀態和疾病狀態之間有明顯的區別，并且易于識別[9]。最近，越來越多新型的分子生物標志物被用于CKDs的檢測，如胱抑素C、腎損傷分子-1（KIM-1）、N-乙酰-β-D-葡糖胺酶（NAG）、中性粒細胞明膠酶相關脂鈣素（NGAL）等[8]，[10]。盡管這些標志物在可靠性和靈敏度方面更優，但由于成本高昂且難以大規模生產，使用并不廣泛[11]。盡管有多種CKD生物標志物可供選擇，但肌酐仍然是使用最廣泛的。腎小球濾過率（GFR）被認為是評估腎功能的標準方法，需要測量血清肌酐水平[12]，[13]。
肌酐的化學結構為2-氨基-1-甲基-5H-咪唑啉-4-酮，是肌肉中肌酸代謝的最終廢物[14]，[15]。它每天產生的速度約為2%，并通過尿液由腎臟排出[16]，[17]。它在血液、尿液和唾液等體液中的正常濃度分別為45-110 μM、2.5-25 mM和8.8-26.5 μM。除了作為腎臟損傷的生物標志物外，尿液和血液中的肌酐水平還反映了甲狀腺和/或肌肉功能障礙。因此，開發新型、簡單且經濟的檢測方法，以高選擇性和靈敏度準確快速地檢測肌酐具有重要意義。
Jaffe方法在臨床環境中被廣泛使用，該方法在堿性介質中使用苦味酸作為試劑與肌酐形成橙色復合物[18]，[19]。這種比色法因其低成本和簡單性而受到重視，但選擇性、靈敏度和準確性較低，且使用具有爆炸性和毒性的苦味酸作為試劑。其他標準方法包括色譜法和基于酶的技術。這些傳統方法也存在許多局限性，例如重復性低、靈敏度低、受其他生物代謝物干擾等�；诿傅膫鞲衅饔捎谧冃远�定性較低且價格昂貴。新的方法越來越多地被采用，如電化學[20]，[21]、光譜學（NMR、IR、質譜）[22]，[23]，[24]、安培法[25]、HPLC[26]，[27]、電位法[28]、電泳[27]、分子印跡（MIP）[29]、電導法[30]、分光光度法[31]、化學發光[32]和阻抗法[33]。這些方法都提供了理想的優點，并能獲得滿意的結果，但其中一些方法需要昂貴、笨重和復雜的儀器以及受過培訓的人員，而且相對耗時[34]。特別強調開發小型簡單的傳感器，以便患者自己使用，實現即時檢測（POC）[35]，[36]。分光光度法或光學傳感器（比色法和熒光法）正在被廣泛研究，以獲得理想的結果。它們因其成本效益、簡單性、高靈敏度和特異性、快速性以及所需樣本量小等優點而受到重視[37]，[38]。所使用的各種熒光系統包括有機染料、熒光蛋白、納米材料、量子點（QDs）和MXenes等。由于納米材料具有化學多樣性、可調的表面體積比、超細尺寸、良好的光學和發光性能、高的量子產率、增強的光穩定性和生物相容性以及高吸收性等優點，其應用顯著增加[39]。
已有許多關于各種CKD生物標志物檢測的綜述，討論了傳統的和現代的分子方法，包括基于納米技術的方法[40]，[41]，[42]。其中許多綜述專門討論了肌酐的檢測[43]，[44]，[45]。也有關于基于熒光的CKD生物標志物檢測的綜述[38]，[46]，但專門討論肌酐光學檢測的報道非常少[47]。本綜述專注于肌酐光學檢測的最新進展，即熒光法和比色法，以及用于識別的不同機制方法。根據與肌酐的關鍵相互作用機制，這些傳感器被大致分為四類：化學量計法、氫鍵結合、復合物形成和金屬離子介導的（圖1）。需要注意的是，有些情況下可能存在重疊或協同機制，例如氫鍵結合與復合物形成或金屬離子配位同時發生。這些情況根據主要負責肌酐識別的機制進行分類。據我們所知，此前沒有綜述按照機制識別模式對光學肌酐探針進行分類。因此，本綜述可以為未來的研究人員提供設計更好肌酐傳感器的機制見解。
基于化學量計的檢測
通過不可逆的化學反應識別分析物的分子探針稱為化學量計。根據負責檢測的反應類型，這種方法可以分為兩類。第一類基于Jaffe化學中的縮合反應，如前所述，這是商業層面檢測肌酐的主要方法。第二類基于共價加合物的形成
基于氫鍵的檢測
在中性/接近中性的pH值下，肌酐通常以兩種不同的中性互變異構形式存在，即亞氨基形式和氨基形式，后者相對更穩定。在堿性pH值下，氨基互變異構體可以進一步互變異構為其碳負離子或氧負離子形式（方案6）。這些中性或陰離子互變異構體能夠與適當取代的分子形成強氫鍵，從而實現有效結合。因此，這種方法被廣泛用于開發有效的探針
基于復合物形成的檢測
盡管氫鍵是肌酐分子與設計的有機探針（無論是分子形式還是材料形式）之間主要的非共價相互作用，但在某些情況下也會發生其他類型的復合物形成。已有報道指出，一些探針可以直接與肌酐形成復合物[84]，[85]。在這種情況下，CuNC基傳感器被廣泛使用[86]，[87]，[88]。
金屬介導的檢測
肌酐通過與金屬離子的路易斯堿-酸相互作用的能力是一種獨特的特性，被用于選擇性和靈敏地檢測肌酐。這種方法包括兩種估算肌酐的方法：
a)金屬置換法
b)協同配位法
結論與未來展望
CKDs的日益普遍使得設計和開發簡單探針以早期預測其病情變得必要。肌酐已被證明是評估腎臟功能的重要指標。本綜述涵蓋了用于特異性檢測肌酐的比色法和熒光法探針的顯著進展。各種探針根據其檢測原理進行了分類和討論
CRediT作者貢獻聲明
Sweety Kataria：撰寫原始草稿、進行研究、進行正式分析。
Divya Sareen：撰寫和編輯、驗證、監督、進行正式分析、概念化。
Mandeep Kaur：撰寫和編輯、驗證、監督、進行正式分析。
Gagandeep Kaur：撰寫原始草稿、進行研究、進行正式分析
數據可用性
數據可應要求提供。
利益沖突聲明
? 作者聲明他們沒有已知的競爭性財務利益或個人關系可能影響本文報告的工作。
致謝
SK感謝印度古魯格拉姆SGT大學提供的研究獎學金。MK和GK感謝DBT Star Status Scheme（批準號HRD-11012/4/2022-HRD-DBT）提供的財務支持。
